Java的內存回收機制

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在Java中，它的內存管理包括兩方面：內存分配（創建Java對象的時候）和內存回收，這兩方面工作都是由JVM自動完成的，降低了Java程序員的學習難度，避免了像C/C++直接操作內存的危險。但是，也正因爲內存管理完全由JVM負責，所以也使Java很多程序員不再關心內存分配，導致很多程序低效，耗內存。因此就有了Java程序員到最後應該去了解JVM，才能寫出更高效，充分利用有限的內存的程序。

1.Java在內存中的狀態

首先我們先寫一個代碼爲例子：

Person.java

package test;

import java.io.Serializable;

public class Person implements Serializable {

    static final long serialVersionUID = 1L;

    String name; // 姓名
    
    Person friend;    //朋友

    public Person() {}
    
    public Person(String name) {
        super();
        this.name = name;
    }
}

Test.java

package test;


public class Test{

    public static void main(String[] args) {
        Person p1 = new Person("Kevin");
        Person p2 = new Person("Rain");
        Person p3 = new Person("Sunny");
        
        p1.friend = p2;
        p3 = p2;
        p2 = null;
    }
}

把上面Test.java中main方面裏面的對象引用畫成一個從main方法開始的對象引用圖的話就是這樣的（頂點是對象和引用，有向邊是引用關係）：

當程序運行起來之後，把它在內存中的狀態看成是有向圖後，可以分爲三種：

1）可達狀態：在一個對象創建後，有一個以上的引用變量引用它。在有向圖中可以從起始頂點導航到該對象，那它就處於可達狀態。

2）可恢復狀態：如果程序中某個對象不再有任何的引用變量引用它，它將先進入可恢復狀態，此時從有向圖的起始頂點不能再導航到該對象。在這個狀態下，系統的垃圾回收機制準備回收該對象的所佔用的內存，在回收之前，系統會調用finalize()方法進行資源清理，如果資源整理後重新讓一個以上引用變量引用該對象，則這個對象會再次變爲可達狀態；否則就會進入不可達狀態。

3）不可達狀態：當對象的所有關聯都被切斷，且系統調用finalize()方法進行資源清理後依舊沒有使該對象變爲可達狀態，則這個對象將永久性失去引用並且變成不可達狀態，系統纔會真正的去回收該對象所佔用的資源。

上述三種狀態的轉換圖如下：

2.Java對對象的4種引用

1）強引用 ：創建一個對象並把這個對象直接賦給一個變量，eg ：Person person = new Person("sunny"); 

    不管系統資源有麼的緊張，強引用的對象都絕對不會被回收，即使他以後不會再用到。

2）軟引用 ：通過SoftReference類實現，eg : SoftReference<Person> p = new SoftReference<Person>(new Person("Rain"));

                    內存非常緊張的時候會被回收，其他時候不會被回收，所以在使用之前要判斷是否爲null從而判斷他是否已經被回收了。

3）弱引用 ：通過WeakReference類實現，eg : WeakReference<Person> p = new WeakReference<Person>(new Person("Rain"));

                    不管內存是否足夠，系統垃圾回收時必定會回收。

4）虛引用 ：不能單獨使用，主要是用於追蹤對象被垃圾回收的狀態。通過PhantomReference類和引用隊列ReferenceQueue類聯合使用實現，eg ：

package test;

import java.lang.ref.PhantomReference;
import java.lang.ref.ReferenceQueue;


public class Test{

    public static void main(String[] args) {
        //創建一個對象
        Person person = new Person("Sunny");    
        //創建一個引用隊列    
        ReferenceQueue<Person> rq = new ReferenceQueue<Person>();
        //創建一個虛引用，讓此虛引用引用到person對象
        PhantomReference<Person> pr = new PhantomReference<Person>(person, rq);
        //切斷person引用變量和對象的引用
        person = null;
        //試圖取出虛引用所引用的對象
        //發現程序並不能通過虛引用訪問被引用對象，所以此處輸出爲null
        System.out.println(pr.get());
        //強制垃圾回收
        System.gc();
        System.runFinalization();
        //因爲一旦虛引用中的對象被回收後，該虛引用就會進入引用隊列中
        //所以用隊列中最先進入隊列中引用與pr進行比較，輸出true
        System.out.println(rq.poll() == pr);
    }
}

運行結果：

3.Java垃圾回收機制

其實Java垃圾回收主要做的是兩件事：1）內存回收 2）碎片整理

3.1垃圾回收算法

1）串行回收（只用一個CPU）和並行回收（多個CPU纔有用）：串行回收是不管系統有多少個CPU，始終只用一個CPU來執行垃圾回收操作，而並行回收就是把整個回收工作拆分成多個部分，每個部分由一個CPU負責，從而讓多個CPU並行回收。並行回收的執行效率很高，但複雜度增加，另外也有一些副作用，如內存碎片增加。

2）併發執行和應用程序停止 ：應用程序停止（Stop-the-world）顧名思義，其垃圾回收方式在執行垃圾回收的同時會導致應用程序的暫停。併發執行的垃圾回收雖然不會導致應用程序的暫停，但由於併發執行垃圾需要解決和應用程序的執行衝突（應用程序可能在垃圾回收的過程修改對象），因此併發執行垃圾回收的系統開銷比Stop-the-world高，而且執行時需要更多的堆內存。

3）壓縮和不壓縮和複製 ：

①支持壓縮的垃圾回收器（標記-壓縮 = 標記清除+壓縮）會把所有的可達對象搬遷到一端，然後直接清理掉端邊界以外的內存，減少了內存碎片。

②不壓縮的垃圾回收器（標記-清除）要遍歷兩次，第一次先從跟開始訪問所有可達對象，並將他們標記爲可達狀態，第二次便利整個內存區域，對未標記可達狀態的對象進行回收處理。這種回收方式不壓縮，不需要額外內存，但要兩次遍歷，會產生碎片

③複製式的垃圾回收器：將堆內存分成兩個相同空間，從根（類似於前面的有向圖起始頂點）開始訪問每一個關聯的可達對象，將空間A的全部可達對象複製到空間B，然後一次性回收空間A。對於該算法而言，因爲只需訪問所有的可達對象，將所有的可達對象複製走之後就直接回收整個空間，完全不用理會不可達對象，所以遍歷空間的成本較小，但需要巨大的複製成本和較多的內存。

           

3.2堆內存的分代回收

1）分代回收的依據：

①對象生存時間的長短：大部分對象在Young期間就被回收

②不同代採取不同的垃圾回收策略：新（生存時間短）老（生存時間長）對象之間很少存在引用

2) 堆內存的分代：

①Young代 ：

Ⅰ回收機制 ：因爲對象數量少，所以採用複製回收。

Ⅱ組成區域 ：由1個Eden區和2個Survivor區構成，同一時間的兩個Survivor區，一個用來保存對象，另一個是空的；每次進行Young代垃圾回收的時候，就把Eden，From中的可達對象複製到To區域中，一些生存時間長的就複製到了老年代，接着清除Eden，From空間，最後原來的To空間變爲From空間，原來的From空間變爲To空間。

Ⅲ對象來源 ：絕大多數對象先分配到Eden區，一些大的對象會直接被分配到Old代中。

Ⅳ回收頻率 ：因爲Young代對象大部分很快進入不可達狀態，因此回收頻率高且回收速度快

           

    

②Old代 ：

Ⅰ回收機制 ：採用標記壓縮算法回收。

Ⅱ對象來源 ：1.對象大直接進入老年代。

　　　　　　 2.Young代中生存時間長的可達對象

Ⅲ回收頻率 ：因爲很少對象會死掉，所以執行頻率不高，而且需要較長時間來完成。

③Permanent代 ：

Ⅰ用      途 ：用來裝載Class，方法等信息，默認爲64M，不會被回收

Ⅱ對象來源 ：eg：對於像Hibernate，Spring這類喜歡AOP動態生成類的框架，往往會生成大量的動態代理類，因此需要更多的Permanent代內存。所以我們經常在調試Hibernate，Spring的時候經常遇到java.lang.OutOfMemoryError:PermGen space的錯誤，這就是Permanent代內存耗盡所導致的錯誤。

Ⅲ回收頻率 ：不會被回收

 

3.3常見的垃圾回收器

在此之前，我們先講一下下面將會涉及到的併發和並行兩個詞的解釋：

1）並行：指多條垃圾收集線程並行工作，但此時用戶線程仍然處於等待狀態；

2）併發：指用戶線程與 垃圾收集線程同時執行（但不一定是並行的，可能會交替執行），用戶程序繼續執行，而垃圾收集程序運行於另一個CPU上。

好啦，繼續講垃圾回收器：

1）串行回收器（只使用一個CPU）：Young代採用串行復制算法；Old代使用串行標記壓縮算法（三個階段：標記mark—清除sweep—壓縮compact），回收期間程序會產生暫停，

2）並行回收器：對Young代採用的算法和串行回收器一樣，只是增加了多CPU並行處理； 對Old代的處理和串行回收器完全一樣，依舊是單線程。

3）並行壓縮回收器：對Young代處理採用與並行回收器完全一樣的算法；只是對Old代採用了不同的算法，其實就是劃分不同的區域，然後進行標記壓縮算法：

① 將Old代劃分成幾個固定區域；

② mark階段（多線程並行），標記可達對象；

③ summary階段（串行執行），從最左邊開始檢驗知道找到某個達到數值（可達對象密度小）的區域時，此區域及其右邊區域進行壓縮回收，其左端爲密集區域

④ compact階段（多線程並行），識別出需要裝填的區域，多線程並行的把數據複製到這些區域中。經此過程後，Old代一端密集存在大量活動對象，另一端則存在大塊空間。

4）併發標識—清理回收（CMS）：對Young代處理採用與並行回收器完全一樣的算法；只是對Old代採用了不同的算法，但歸根待地還是標記清理算法：

① 初始標識（程序暫停）：標記被直接引用的對象(一級對象)；

② 併發標識（程序運行）：通過一級對象尋找其他可達對象；

③ 再標記（程序暫停）：多線程並行的重新標記之前可能因爲併發而漏掉的對象（簡單的說就是防遺漏）

④ 併發清理（程序運行）

4.內存管理小技巧

1）儘量使用直接量，eg：String javaStr = "小學徒的成長曆程";

2）使用StringBuilder和StringBuffer進行字符串連接等操作;

3）儘早釋放無用對象;

4）儘量少使用靜態變量;

5）緩存常用的對象:可以使用開源的開源緩存實現，eg：OSCache，Ehcache;

6）儘量不使用finalize()方法;

7）在必要的時候可以考慮使用軟引用SoftReference。